JP5998507B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡やインジケーターなどに利用可能な照明装置に関する。

特許文献１に記載の照明装置は、励起光を出射する励起光源と、励起光源から出射された励起光を導波する第一の光ファイバと、第一の光ファイバから出射された励起光を受光して励起光とは異なる波長の波長変換光を発する蛍光体と、蛍光体から発せられた波長変換光の一部を少なくとも導波する第二の光ファイバとを備える。この照明装置は、励起光と波長変換光との混色により所望の色に発光する。

特開２００９−３９４３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の照明装置では、蛍光体において発熱し、熱により劣化することで、変換効率が低下し所望の色が得られないという問題があった。

本発明は、熱による蛍光体の劣化を抑制することにより、色変化の少ない照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る照明装置は、１以上の光源と、光源からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第１光ファイバと、第１光ファイバからの光により励起される蛍光体を含む波長変換部と、波長変換部からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第２光ファイバと、を有する。特に、波長変換部の一方の側には、第１光ファイバの出射端と、第２光ファイバの入射端と、が波長変換部と対向するように設けられ、波長変換部の他方の側には、波長変換部と熱的に接続された放熱部が設けられている。

本発明は、以上説明したように構成されているので、波長変換部に含まれる蛍光体の劣化を抑制しつつ、光出力の高い照明装置とすることができる。

図１は、第１実施形態に係る照明装置を説明するための概略断面図である。 図２は、第２実施形態に係る照明装置を説明するための概略断面図である。

以下に図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。

＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態に係る照明装置１００を示す。照明装置１００は、１以上の光源１０と、光源１０からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第１光ファイバ２１と、第１光ファイバ２１からの光により励起される蛍光体を含む波長変換部４０と、波長変換部４０からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第２光ファイバ２２と、を有する。特に、波長変換部の一方の側には、第１光ファイバ２１の出射端と、第２光ファイバ２２の入射端と、が波長変換部４０と対向するように設けられ、波長変換部４０の他方の側には、波長変換部４０と熱的に接続された放熱部５０が設けられている。

これにより、波長変換部４０に含まれる蛍光体の劣化を抑制することができる。光の照射により蛍光体から発生する熱を放熱部５０に逃がすことができるためである。加えて、光出力も向上させることができる。放熱部５０が形成された側とは反対側には、波長変換部４０と対向して第１光ファイバ２１の出射端及び第２光ファイバ２２の入射端が配置されているためである。こうすることで、光源１０からの光による蛍光体の励起効率を高くすることができ、且つ、第２光ファイバ２２への光の取り込み効率も高くすることができる。

以下、照明装置１００における主な構成要素について説明する。
（光源１０）
光源１０は、波長変換部４０に含まれる蛍光体を励起するための光を出射するものである。光源１０としては、例えば、ＬＤ（レーザダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）等を用いることができる。これらを使用することにより、初期駆動特性に優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強く、小型で発光出力の高い照明装置とすることができる。特に、ＬＤは、ＬＥＤに比較して光密度が高いので、容易に輝度を向上させることができる。一方で、ＬＤは光密度が高いため、蛍光体が発熱して劣化し易くなる。本発明は、熱による蛍光体への悪影響を大幅に軽減することができるため、励起光源としてＬＤを用いる場合に特に有効である。

なお、光源１０は１つのみならず２つ以上用いることもできる。光源１０を複数用いることにより、光量を増加させ、高輝度化することができる。光源１０を２つ以上用いる場合は、１つの光源に１つの第１光ファイバ２１を対応させてもよいし、第１光ファイバ２１を途中で分岐させて各端部にそれぞれ光源１０を配置してもよい。

具体的には、光源１０として青色ＬＤ（ピーク波長４３０〜４８０ｎｍ）を用いることができる。この場合、青色ＬＤの他に（蛍光体を励起しない）赤色ＬＤ（ピーク波長６２０〜７００ｎｍ）を用いることもできる。これにより、赤色成分を補うことが出来るので、演色性が高く、色再現性に富む照明装置を提供することができる。

（第１光ファイバ２１）
第１光ファイバ２１は、光源１０から出射された光を波長変換部４０へ導出するためのものである。第１光ファイバ２１は、石英ガラスやプラスチックを材料とし、断面の中心部（コア）の屈折率を周辺部（クラッド）より高くすることで、光を減衰させることなく送ることができる。第１光ファイバ２１は湾曲することができるので、光源１０及び波長変換部４０の位置にかかわらず両者を光学的に接続することができる。

第１光ファイバ２１の径は、１０００μｍ以下、４００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。一例として、具体的にはコア／クラッド＝１１４／１２５（μｍ）、５０／１２５（μｍ）、７２／８０（μｍ）、４０／５０（μｍ）等のものが挙げられる。径を一定以上とすることにより、光源１０からの光を効率よく取りこむことができる。また、径を一定以下とすることにより、湾曲性に富むため設計の自由度を持たせることができると共に、波長変換部４０からの戻り光を抑制することができる。

第１光ファイバ２１の長さは限定されないが、好ましくは１ｍ以下、より好ましくは０．５ｍ以下のものを用いることができる。一定の長さ以下とすることにより、光源からの光を少ない損失で波長変換部に導くことができるからである。

（第２光ファイバ２２）
第２光ファイバ２２は、波長変換部４０からの光を外部へ放出するためのものである。なお、「波長変換部４０からの光」とは、蛍光体が励起されて生ずる光のみならず、励起されなかった光も含むものとする。第２光ファイバ２２は、石英ガラスやプラスチックを材料とすることができる。

第２光ファイバ２２の長さは、用途によって変更することができる。好ましくは１ｍ以上５ｍ以下、より好ましくは２ｍ以上４ｍ以下のものを用いることができる。一定の長さ以上とすることにより、第２光ファイバ２２の出射端を任意の場所に配置することができるからである。また、一定の長さ以下とすることにより、光源からの光を少ない損失で外部に導くことができるからである。

また、第２光ファイバ２２の入射端は第１光ファイバ２１の出射端の周囲に設けることができる。つまり、第２光ファイバ２２を複数用いて、第１光ファイバ２１を取り囲むように配設することで、波長変換部４０からの光を第２光ファイバ２２へ効率よく取りこむことができる。なお、説明の便宜上、図１では第１光ファイバ２１の上方に２本の第２光ファイバを示しているが、実際は、第１光ファイバの周囲に多数の第２光ファイバが配置されているものとする。

照明装置１００では、第１光ファイバ２１の出射端及び第２光ファイバ２２の入射端を、波長変換部４０の近傍に配置させている。これにより、第１光ファイバ２１の出射端からの光により蛍光体を効率よく励起でき、且つ、第２光ファイバ２２の入射端において波長変換部４０からの光を効率よく取り入れることができる。

第１光ファイバ２１の出射端における開口数（ＮＡ）は第２光ファイバ２２の入射端における開口数（ＮＡ）よりも小さくすることができる。これにより、第１光ファイバ２１については、波長変換部４０からの光が第１光ファイバ２１に戻るのを抑制することができる。さらに、第２光ファイバ２２については、波長変換部４０からの光を効率よく取り入れることができる。

また、第２光ファイバ２２の入射端の径は第１光ファイバ２１の出射端の径よりも大きくすることができる。これにより、第１光ファイバ２１への戻り光を少なくすることができると共に、波長変換部４０からの光を第２光ファイバ２２に効率よく取り入れることができる。

図１に示すように、照明装置１００では、第１光ファイバ２１及び第２光ファイバ２２は、波長変換部４０に近い側で一体に形成され、波長変換部４０から遠い側で分離されている。つまり、第１光ファイバ２１の出射端と第２光ファイバ２２の入射端とが、隣接して、波長変換部４０と対向するように設けられ、第１光ファイバ２１の入射端は第２光ファイバ２２の出射端と離れた位置に形成される。これにより、光源１０の設置位置に関わらず、第２光ファイバ２２の出射端からの光取り出し位置を自由に設計することができる。

照明装置１００では、第１光ファイバ２１の一部及び複数の第２光ファイバ２２が被覆体３０で被覆されている。これにより、複数の光ファイバを一束にまとめることができるので、取り扱いが容易となる。

（波長変換部４０）
波長変換部４０は光源１０からの光を励起するためのものであり、少なくとも蛍光体を含む。ここでは、蛍光体とバインダーを混合し成形／又は焼結させたものを波長変換部４０としている。波長変換部を成形するためのバインダーとしては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂などの有機材料の他、無機ガラス、イットリアゾル、アルミナゾル、シリカゾルなどの無機材料を用いることができるが、有機材料よりも変色しにくい無機材料を用いることが好ましい。無機ガラスを用いる場合は、ケイ酸塩ガラスであることが好ましく、特に、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、硼酸化合物、燐酸化合物、亜鉛酸化物のいずれか１種以上を含有するケイ酸塩ガラスであることが好ましい。無機ガラスを用いた成形方法としては、蛍光体とガラス粉末を混合し、この混合粉末を、例えば加熱プレス成形することにより、所望の形状の波長変換部を得ることができる。また、波長変換部はＳＰＳ（Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：放電プラズマ焼結）、ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ：熱間静水圧成形）、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ：冷間等方加圧成形）等の焼結法を用いて形成することもできる。特に、酸化物からなる蛍光体を用いる場合、バインダーは酸化物の無機材料を用いることが好ましい。酸化物のバインダーとして、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＢａＯ、Ｌｕ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、Ｖ_２Ｏ_５、ＭｏＯ_３、ＳｒＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５、ＰｂＯ、Ｎ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯなどが挙げられる。

蛍光体は、公知のものを用いることができる。例えば、Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されたアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン、アルカリ土類金属アルミン酸塩、希土類元素で主に賦活された酸窒化物又は窒化物、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活された希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩等が挙げられる。

具体的には、光源１０として青色ＬＤ（ピーク波長４３０〜４８０ｎｍ）を用いる場合、例えば、蛍光体として黄色発光のＹＡＧ、緑色発光のＬＡＧ及び赤色発光のＳｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、Ｃａ−α−サイアロン又はＳｒ−α−サイアロンを用いることができる。

（放熱部５０）
放熱部５０は、波長変換部４０と熱的に接続されている。このとき、放熱部５０は、波長変換部の第１光ファイバ２１及び第２光ファイバ２２が形成された側とは反対側に形成される。蛍光体を含む波長変換部４０と接するように放熱部５０を設けたことで、蛍光体の熱を放熱部５０に逃がすことができる。この結果、蛍光体の劣化、変色を効果的に軽減させることができ、信頼性の高い照明装置を提供することができる。

放熱部５０は、波長変換部４０から出射された光を反射できる材料とすることもできる。こうすることで、効率よく光を取り出すことができる。

放熱部５０は、熱伝導率と、第１光ファイバ２１からの光に対する反射率と、波長変換部４０に含まれる蛍光体からの光に対する反射率と、を考慮して選択することができる。具体的には、放熱部５０の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、タングステン、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ステンレス、真鍮、カーボン等が挙げられる。その形状は典型的には板状とすることができる。また、放熱部と波長変換部の間に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ等の金属およびこれらの合金からなる光反射部材を介在させてもよい。

（筐体６０）
筐体６０は、波長変換部４０や光源１０等を収納するためのものである。筐体６０は、放熱性／加工性に優れたものが用いられ、その材料としてはアルミニウム、ステンレス等を用いることができる。照明装置１００において、光源１０は筐体６０と熱的に接続されている。放熱性に優れた材料を用いることで、光源１０から発せられる熱による劣化を防ぐことができる。筐体６０の大きさや形状は、用いる光ファイバや光源の大きさや形状に合わせて適宜選択できる。

照明装置１００では、筐体６０の上方（図１の右側）に開口部が設けられており、開口部から第２光ファイバ２２のファイバ束が延びている。

＜第２実施形態＞
図２に、本実施形態に係る照明装置２００を示す。照明装置２００は、第１光ファイバ２１の出射端及び第２光ファイバ２２の入射端と、波長変換部４０と、の間に後述するレンズ７０が設けられている以外は、第１実施形態と実質的に同一である。

（レンズ７０）
レンズ７０は、第１光ファイバ２１の出射端から出射された光がレンズ７０を透過して波長変換部４０へと集光され、波長変換部４０からの光が第２光ファイバ２２の入射端へと集光される形状とすることができる。レンズ７０は、無機ガラスが好ましいが、樹脂等により形成することもできる。また、レンズは１枚のみならず複数枚並べて配置してもよい。第１光ファイバ２１の出射端と波長変換部４０との間にレンズ７０を備えることで、第１光ファイバ２１からの光を集光させ、効率良く波長変換部４０へと光を出射できる。さらに、波長変換部４０からの光を無駄なく第２光ファイバ２２の入射端へと出射することができる。

１０…光源
２１…第１光ファイバ
２２…第２光ファイバ
３０…被覆体
４０…波長変換部
５０…放熱部
６０…筐体
７０…レンズ

Claims (9)

1. １以上の光源と、
   前記光源からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第１光ファイバと、
   前記第１光ファイバからの光により励起される蛍光体を含む波長変換部と、
   前記波長変換部からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第２光ファイバと、を有する照明装置であって、
   前記波長変換部の一方の側には、前記第１光ファイバの出射端と、前記第２光ファイバの入射端と、が前記波長変換部と対向するように設けられ、
   前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバは、前記波長変換部に近い側で一体に形成され、前記波長変換部から遠い側で分離されており、
   前記波長変換部の他方の側には、前記波長変換部と熱的に接続された放熱部が設けられていることを特徴とする照明装置。
2. １以上の光源と、
   前記光源からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第１光ファイバと、
   前記第１光ファイバからの光により励起される蛍光体を含む波長変換部と、
   前記波長変換部からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第２光ファイバと、を有する照明装置であって、
   前記波長変換部の一方の側には、前記第１光ファイバの出射端と、前記第２光ファイバの入射端と、が前記波長変換部と対向するように設けられ、
   前記第１光ファイバの開口数は前記第２光ファイバの開口数よりも小さく、
   前記波長変換部の他方の側には、前記波長変換部と熱的に接続された放熱部が設けられていることを特徴とする照明装置。
3. １以上の光源と、
   前記光源からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第１光ファイバと、
   前記第１光ファイバからの光により励起される蛍光体を含む波長変換部と、
   前記波長変換部からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第２光ファイバと、を有する照明装置であって、
   前記波長変換部の一方の側には、前記第１光ファイバの出射端と、前記第２光ファイバの入射端と、が前記波長変換部と対向するように設けられ、
   前記波長変換部の他方の側には、前記波長変換部からの光を反射することができる材料よりなり且つ前記波長変換部と熱的に接続された放熱部が設けられていることを特徴とする照明装置。
4. １以上の光源と、
   前記光源からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第１光ファイバと、
   前記第１光ファイバからの光により励起される蛍光体を含む波長変換部と、
   前記波長変換部からの光を入射端で入射し出射端で出射する１以上の第２光ファイバと、を有する照明装置であって、
   前記波長変換部の一方の側には、前記第１光ファイバの出射端と、前記第２光ファイバの入射端と、が前記波長変換部と対向するように設けられ、
   前記第２光ファイバの入射端の径は前記第１光ファイバの出射端の径よりも大きく、
   前記波長変換部の他方の側には、前記波長変換部と熱的に接続された放熱部が設けられていることを特徴とする照明装置。
5. 前記第１光ファイバの開口数が前記第２光ファイバの開口数よりも小さいことを特徴とする請求項１、請求項３、又は請求項４に記載の照明装置。
6. 前記放熱部は前記波長変換部からの光を反射することができる材料よりなることを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の照明装置。
7. 前記第２光ファイバの入射端の径が前記第１光ファイバの出射端の径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
8. 前記第２光ファイバの入射端は前記第１光ファイバ出射端の周囲に設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 前記第１光ファイバの出射端から出射される光はレンズを介して前記波長変換部に照射されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の照明装置。